贮存寿命评价工具箱设计研究

解江，郭琦，高军

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610； 2.华南理工大学，广州 510641）

引言

许多装备具有长期贮存短时使用或长期贮存单次使用的特点，贮存寿命是其重要的质量可靠性特性。工程上为科学正确的评价装备贮存期寿命，通常采用贮存数据评估预测与加速试验评估结合的方式评价装备贮存寿命，涉及对评估对象历史贮存信息的可靠性评估及预测，以及加速寿命试验和加速退化试验评估。同时，针对贮存寿命相关特征进行检测分析的技术，近几年来也作为贮存寿命评价的重要方面在工程中推广应用。但由于贮存寿命评价相关标准规范的缺失，当前装备贮存寿命评价工作主要还是根据工程经验开展的特点产品定制化评价，贮存寿命评价的一些共性技术并没有完成系统集成，形成便于工程实施的软件工具。针对这种现状，本文将就贮存寿命评价工具箱开发进行需求分析方面的讨论。

1 工具箱总体功能

贮存寿命评价工具箱依照工程需求，核心任务其一为基于历史贮存信息的寿命评估及预测，其二是加速寿命与加速退化试验的方案设计、试验历程记录、数据处理，其三为基于失效物理的元器件级、板级寿命特征分析的指导及记录。根据工程经验，完成一系列的贮存寿命评价工作，主要由产品基本信息处理、历史数据分析处理、加速试验方案设计（依试验类型分为加速寿命试验和加速退化试验两种）、加速试验实施记录、加速退化试验数据处理、加速寿命试验数据处理、寿命特征检测方案设计、寿命特征检测的实施与记录这八个主要步骤来完成，各功能间的关系如图1所示。以下分别对每个功能的情况予以说明，并对贮存寿命工具箱完成这些功能的需求情况进行描述。

1.1 产品基本信息处理功能

贮存寿命评价作为工程项目，对象产品具有的许多信息会贯穿项目的始终，如产品名称、型号、功能、参数、指标等，需要工具箱应有专门模块对这些产品基本信息进行进行管理，其功能主要应包括：添加产品名称、定义产品层次和产品组成、录入产品可靠性指标或寿命指标、导入元器件清单，输入产品外场历史使用数据等。

1.2 历史数据分析评价功能

寿命评价中有许多工作环节需用到产品历史相关信息，对历史贮存数据信息进行评价预测也是贮存寿命评价的重要组成部分，工具箱中涉及对历史信息进行分析的模块应能对产品的外场历史使用数据进行初步评估，结合同类型产品或近似过往产品评估产品可靠性或寿命指标，为加速寿命试验方案和加速退化试验关重件的选择以及最终的贮存寿命评估结果提供依据。对包括产品贮存时间和失效信息及各次检测记录的性能参数和检测时间信息等历史贮存信息，工具箱应能对其进行贮存寿命分析评估，得到失效率与贮存可靠度。

1.3 加速试验方案设计功能

图1 贮存寿命评价工具箱的主要功能框图

加速试验的顺利实施和试验数据评估的有效均要靠完备的加速试验方案设计能力来保障。工程中，应在产品FMEA报告和历史数据分析的基础上，得到影响产品寿命的关键部组件及其敏感应力和应力极限范围；确定加速试验应力的组合及间隔方式；样品的分配确认和试验截尾的方法等。试验方案的设计主要依靠工程技术人员的剪裁，工具箱中涉及该功能的模块应能记录这些工作并将其转化为特定模板下的数据报告，便于试验的实施。

1.4 试验实施及记录功能

工具箱中应有专门的模块用于加速试验过程信息及数据的记录，能记录加速试验全过程中发生的重大事项包括测试时机、产品性能测试结果、故障时间、故障模式与机理，试验截止时间等。可在该模块建立可扩充的贮存失效信息库，用于对测试及故障信息汇总分析评价，同时也可与贮存寿命特征检测信息库进行关联，加强对试验过程中出现故障的分析和判断能力。

1.5 加速寿命试验数据处理功能

该模块主要功能为根据各组产品的特征寿命估计应力加速模型中的未知参数，获得加速因子，最终得到常应力下的可靠寿命。该模块可以处理常用的应力加速模型，包括阿伦尼斯模型，温湿度应力的艾琳模型、IPC模型、Peck模型，振动应力和电应力的逆幂模型，温循应力的逆幂模型和W-E模型等。加速因子的计算主要基于经验的物理模型，工具箱软件应将这些常用应力的加速因子的计算方法固化入相应模块中。

1.6 加速退化试验数据处理功能

贮存寿命评价中，对于组件、电路板级别的产品一般多采取贮存加速退化试验，结合失效物理和数理统计方法，外推并评估产品可靠性指标。工具箱中相关模块应能根据各组产品的贮存敏感性能的退化规律，确定其性能退化方程，并根据产品性能随时间的退化量估计性能退化方程的位置参数，同时结合产品性能退化的失效阈值，可以得到产品的伪失效分布函数从而得到产品的平均退化失效时间，为评估产品的寿命指标提供依据。

1.7 寿命特征检测技术信息库

图2 工具箱历史贮存信息模块主要业务流程

元器件及板级寿命特征检测技术是产品寿命评价技术的重要组成部分，从失效物理的角度考评产品真实的贮存退化特征。由于贮存寿命特征检测技术可以参照许多当前较为成熟的元器件、电路板工艺质量检测分析相关标准，所以工具箱中可以用技术信息库的形式将该部分技术形成独立模块。该模块集合元器件及板级特征寿命检测技术，将元器件及电子线路板寿命特征检测试验项目、检测规范方法、检测判据等信息依照门类形成信息库。

1.8 寿命特征检测实施及分析功能

工具箱应对具备辅助设计贮存寿命特征检测分析方案的能力，使工程技术人员借助特征检测技术信息库中相关信息进行方案设计，工具箱需具备生成相应检测分析方案的能力。可依照选取的试验对象，对应特征检测技术信息库中相关检测项目标准条目进行剪裁，并附带依据检测方案制定试验检测记录及报告模板的能力，同时应能完善特征检测中相关失效信息记录汇总和证据保留等功能。

基于以上贮存寿命评价技术需求和工具箱功能需求，从贮存延寿工程技术特点和最终工具箱软件的架构实现方式上进行考量分析，将贮存寿命评价工具箱依照主要技术特点划分为相对独立的三个核心模块，覆盖以上描述的工具箱功能需求，共同构建工具箱整体技术构架。分别为：贮存历史信息模块、加速试验模块、贮存寿命特征检测模块，以下对各模块主要需求特点和工具箱主要业务进行论述。

2 历史贮存信息模块设计

2.1 历史贮存信息模块需求分析

工具箱的历史贮存信息模块需要收集广泛的贮存相关技术信息，这些信息主要包括：贮存产品基本信息、贮存场地信息、可靠性预计信息、环境应力筛选信息、环境试验信息、实验室可靠性试验信息、性能试验信息、检测信息、现场试验信息、设计定型试验信息、产品贮存日志信息等。另一方面，历史贮存信息模块需要对收集的信息进行数据处理计算，得出评估值，这里主要应包含各寿命分布类型的统计分析及检验功能。

2.2 历史贮存信息模块业务描述

满足上述功能需求，历史贮存信息模块应具备以下业务内容及逻辑关系见图2所示。产品历史事件表和子部件历史事件表二者在具体项目中只需其一（图中虚线表示），分析产品和分析子部件时只需用其各自的历史事件表。标准寿命表、检测事件表和首次故障部位分布表一旦在工具箱中导出则自动静态存储在工具箱数据库中。可靠性估计流程的结果为工具箱运行时的界面输出信息，若需在数据库中保存结果则需用户将需要的信息写入相应的数据分析报告静态保存。

2.3 历史贮存信息模块业务概念与数据描述

对历史贮存信息模块 中的各主要业务进行数据字典的编制，对涉及的信息进行数据描述和格式定义，形成图3所示的业务概念图。

3 加速试验模块设计

3.1 加速试验模块需求分析

贮存寿命评价加速试验包括加速寿命试验和加速退化试验两大类型，本次工具箱设计主要考虑的加速试验类型为恒定应力加速寿命试验（CSALT）、 恒 定应力加速退化试验（CSADT）和步进应力加速寿命试验（SSALT）。 贮 存寿命评价工具箱的加速试验部分主要目的在于利用计算机高效的完成加速试验的数据处理工作。工具箱对加速试验的管理应满足以下两条基本原则：

1）加速试验数据统计分析自包含原则，即工具箱应该管理并在数据库中存储加速试验数据处理过程中需要的数据。

2）加速试验完整信息以及外部链接信息可索引原则，即通过工具箱管理的加速试验信息中的索引信息能准确定位到关于该加速试验的更多信息，如对应的加速试验纸质记录等。

图3 工具箱历史贮存信息模块业务概念图

图4 恒定应力加速寿命试验业务（数据处理）流程图

在满足以上两条基本原则前提下，工具箱管理的加速试验信息应遵循从简原则，无需在工具箱中对加速试验实施过程中的所有有价值的数据进行管理和数据库存储。例如加速试验开始时间、实施人等信息无需在工具箱中管理和存储。虽然参与加速试验的产品本身常常是一个更大型系统的子部件，或者该产品还能分解为其他子部件，但在工具箱的加速试验部分中并不添加产品归属和归属于该产品的子部件等信息。对于产品结构层次等信息将在工具箱的历史贮存部分管理，在工具箱的加速试验部分，只需留下足够的产品索引信息。

3.2 加速试验模块业务描述

满足上述功能需求，加速试验模块应具备的业务内容有：加速试验项目名称、试验编号、试验产品类型、试验产品型号、试验类型、附加试验信息（由试验类型决定该项目的附加试验信息）、试验数据记录、数据时间单位、试验应力种类数、试验应力名称、试验应力单位、产品正常应力水平、试验数据分析报告。先给出恒定应力加速寿命试验主要业务流程关系如图4所示，具体数据处理算法在本文中不予讨论。

3.3 加速试验模块业务概念与数据描述

对加速试验模块中的各主要业务和三种试验类型进行数据字典的编制，对涉及的信息进行数据描述和格式定义，其业务概念图如图5所示。

4 特征检测分析模块设计

4.1 特征检测模块需求分析

特征检测分析的对象是产品所用元器件及电子线路板，采用的技术方法是物理分析与性能参数评价。特征检测分析模块不需要进行大量数据处理分析工作，该模块的重点在于完备的特征检测方案技术支持，和检测记录、分析评价过程的信息汇总与记录。所以我们建立一个涵盖全门类元器件和电子线路板相关特征检测试验项目信息库作为该模块的基础，根据这些技术信息构建方案制定辅助功能，构建检测分析过程记录与辅助分析评价等功能。

图5 加速试验模块业务概念图

图6 主要业务流程图

4.2 特征检测模块业务描述

依照以上需求构建的特征检测技术信息库主要业务信息及业务流程如图6。该特征检测技术信息库中元器件类别采用三级分类管理，涵盖常规装备产品用元器件种类；对于板级电路，仅作单、多层板区分，以板级电路功能来源或工艺特征作为类别名。信息库中检测项目的具体内容涵盖GJB 4027、GJB 362、IPC-A-610相关检测分析条目。

4.3 特征检测模块业务概念与数据描述

对特征检测模块中的各主要业务进行数据字典的编制，对涉及的信息进行数据描述和格式定义，其业务概念图如图7所示。

图7 特征检测模块业务概念图

5 结束语

以上给出了贮存寿命评价工具箱主要功能的需求描述，并分别按照基于历史贮存信息处理需求分析、加速寿命试验和加速退化试验的需求分析以及贮存寿命特征检测的需求分析，给出了寿命评价工具箱技术框架和功能构架，描述了核心模块的业务流程图和业务概念图，为工具箱软件的开发奠定了一定基础。

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